【《单片机水位控制系统的硬件系统设计案例》4200字】

共页第28页单片机水位控制系统的硬件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u7508单片机水位控制系统的硬件系统设计案例 172241.1系统总原理图 1150311.2单片机的介绍 210641.3超声波测距模块HC-SR04 655611.4系统显示模块LCD1602 8167201.5按键模块 9245371.6蜂鸣器电路 1065911.7继电器 101.1系统总原理图本次设计的原理图绘制是使用AD软件来实现的，其可以让设计更加的完美。AD软件以其完美的界面和功能全备的设计博得了广大电子设计爱好者的青睐，其已经成为了业界最受欢迎的EDA软件。本次设计原理图绘制的步骤如下：安装相对应的软件，并进行软件的破解。打开AD软件，创建一个新的工程，然后保存到一个文件下，接着给新的工程添加原理图，还有原理图库。放置所涉及到的设计元器件，将元器件进行对应的线路连接，再编写各模块名称，检查网络标号的位置以及管脚的连接关系是否能达到设计的要求。本次设计的原理图如REF_Ref23443\h图1.1所示。图1.SEQ图3.\*ARABIC1系统总原理图1.2单片机的介绍宏晶科技公司研发制造的STC系列中的主要微控制器为STC89C52RC，该控制器对STC系列微控制器的可靠性高、功耗小、稳定性强、成本低及抗干扰性等优势全部继承，远程控制按补丁升级，具有互补金属氧化物和半导体特性的高性能微控制器，C52（以下称为STC89C52RC微控制器）是一个8位CPU，把8KB闪存程序存储器集成在其中，能把软件重写和反复升级，且E2PROM存储器与512BytesRAM随机数据存储器内置在其中，能够保存部分用户数据与掉电数据，以防止丢失。MCS-51微控制器的内部指令与C52产品间相互兼容，且具备WatchDog功能，该功能的运行可以避免程序出现失控现象，使得稳定性提升。C52单片机模块体积小、重量轻、扩展性强，可在农业、自动控制及工业生产中集成。它具有多个IO控制口且价格低廉，计算和处理信息的速度是相当快的，进而可以使检测人员和用户在不报警的情况下可实时的进行观测。FLASH存储器技术是它主要运用的技术，这样会降低生产成本，其体型也十分小巧，计算速率高。在满足相应的计算速度和接口功能的同时，必须要考虑现实的因素，尤其是价格，要被多数人所接纳，同时要足够的便携。STC89C52RC有以下优点：（1）2.7～6V环境。工作于12HZ，功耗很低，3V运行时的电流值是6V时的四分之一。STC89C52RC与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容。有4K字节在线可重复编程快速擦写存储器。运行频率范围：0HZ～24HZ。三级加密程序存储器。32位双向输入输出线。如REF_Ref24328\h图1.2所示，C52微控制器共有40个引脚，并且I/O端口具有多种功能。外部的中断的端口有2个，串行的端口有2个，16位可编程的定时器/计数器的端口有3个，外部的双向输入与输出端口有2个。图1.SEQ图3.\*ARABIC2单片机引脚如REF_Ref24328\h图1.2所示，共有40个端口，其中P0、P1、P2、P3可以直接连接外部的端口，共32个。P3口还具有其他的功能，如REF_Ref15981\h表1.1所示：表1.SEQ表3.\*ARABIC1P3口第二功能I/O引脚名称第二功能引脚名称第二功能P1.0串口RXD串口通信接收端P1.1串口TXD串口通信发射端P1.2外部中断INT0外部中断0P1.3外部中断INT1外部中断1P1.4定时器T0定时/计数器0P1.5定时器T1定时/计数器1P1.6外部写引脚WR外部写选择信号端P1.7外部读引脚RD外部读选择信号端除去上述部分，还有一些引脚的具体功能如下：（1）单片机电源的引脚有两个，其中单片机的20引脚是接地端，40引脚是VCC端。晶振端接入口是18和19引脚，其可以接入22uF的电容实现给整个电路输出稳定的频率。（2）编程端口的控制端，其主要就是RST复位电路、EA使能端、ALE引脚、PSE程序调用端口。RST是复位端，只要给其端口输入高电平，就会使得单片机整个电路实现复位，只要电平触发一次就会复位一次。EA是使能端，在中断、定时器中都要用到。PAEN是单片机程序的选择端口，当其端口是高电平的时候，其直接选取单片机内部的程序实现，当其是低电平的时候，则会选择优先读取外部的程序。可以将单片机正常运行的最小的结构体系叫做单片机的最小系统，结构如REF_Ref24791\h图1.3所示。图1.SEQ图3.\*ARABIC3单片机最小系统如REF_Ref24791\h图1.3所示，最小系统的组成有：单片机、电源电路、晶振电路、复位电路。（1）电源其工作的电压是5V，其可使用USB电源线供电，也可使用电池供电。连接端口的电路如REF_Ref22155\h图1.4所示。本设计采用的是5VUSB电源线实现的，可以直接插到电脑端的USB口实现本次设计。图1.SEQ图3.\*ARABIC4电源输入原理图（2）时钟振荡电路时钟振荡电路也叫晶振电路，如REF_Ref22700\h图1.5所示，晶体振动产生脉冲，为整个电路提供时钟功能，同步整个系统，分阶段进行工作，连接电容是为了滤波高频晶体振动产生的脉冲，从而使其输出更加稳定，方便后续工作。一般选择晶体的振荡的频率在1.2～12MHz之间，电容值在5～30pF之间，本设计用了22pF的电容。XTAL1是其反向输入端。XTAL2是其反向输出端。图1.SEQ图3.\*ARABIC5时钟振荡电路（3）复位电路复位系统就是在电子系统程序跑偏或者程序卡死的情况下，实现的一种重新启动的装置。方式分为两种，一种就是通过按键进行复位的，另外一种是采用断电的方式进行复位的。这两种都可以实现系统的自动重启。其接口图如REF_Ref30976\h图1.6所示，若有程序出错的情况，按下复位键S1后，系统就会自动重启，实现程序的初始化。即产生了复位脉冲以后，电容充电，直到其两端的电压为电源电压，则电路就达到正常的工作状态。其振荡的频率决定开始振荡的时间，如晶振的频率为1MHz，开始振荡的时间为10ms。频率为10MHz，时间为1ms。只有足够时长的高电平，才能保证系统正常复位。图1.SEQ图3.\*ARABIC6复位电路（4）单片机：连接其他三个主要的电路才可以运行起来，从而通过控制端口去控制其它部分。1.3超声波测距模块HC-SR04通过上面的介绍，本次设计采用的测量水位的传感器模型如REF_Ref24137\h图1.7所示，HC-SR04，该模块是集成模块，集成了发射电路、接收电路、以及控制电路。使得电路更简单，让程序的编写的思路更清楚、结构更清晰，使用起来非常方便。图1.SEQ图3.\*ARABIC7超声波传感器如REF_Ref12582\h图1.8所示，其与单片机的P2.0和P2.1口相连接。单片机控制其发射和接收，并记录来回时间。使用定时器中断计数功能，即在超声波发射电路启动时，单片机内的定时器会中断响应，接收反射波时，内部定时器会停止响应。使用计时器计数功能，实时记录发射时间和接收反射波之间的时间，计算时差，处理微控制器以获得操作系统结果，并显示操作系统的测量结果。图1.SEQ图3.\*ARABIC8超声波模块电路图超声波传感器主要由如下四个部分构成：（1）发送器：发射器和陶瓷振动器转子组成，将陶瓷振动器的电振动能量转换为超级能量，并将其送入到空气中。（2）接收器：陶瓷振动器转子和放大电路组成，接收产生的波，将其转换为电能，然后作为其的输出，检测出传输的信号。（3）控制部分：使用集成电路检查发送器的超声波传输，并确定接收器是否接收及其大小。这意味着检查发出的脉冲回路的频率、占空比例以及稀疏的调制、计数和检测距离。（4）电源部分：DC12V±10%或24V±10%外部电源经内部电路为其工作。常用的有两种：一种是压电晶体的，另一种是磁致伸缩的。前一种应用得更为广泛。利用它们可以实现把电的能量转变为声的能量，或将后者转变为前者。通常用来测距的其模块包括了发送探头和接收探头，发送探头发送超声波，发送的超声波遇到障碍后反射回来，反射回来的超声波被接收探头接收。其原理就是：由超声探头发出的脉冲信号，在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波的信号后，计算其来回的传播时间，即可换算出液位高度。其工作频率为40kHz左右。由辐射探测器发出超声波，从液体表面反射并返回，根据环境中的声速获得所需的时间，其中温度对速度也有影响，要调整扩散的速度，就用温度补偿的方法，让测量的结果更加的准确。然后确定水面的高度。计算公式如REF_Ref32129\h式1.1：（式1.SEQ式3.\*ARABIC1）REF_Ref32129\h式1.1中：V是在空气中的传播的速度；T是环境的温度。（式1.SEQ式3.\*ARABIC2）REF_Ref595\h式1.2中：S为被测的距离，单位为cm；t0是脉冲发射的时间；t1是接收的时间；t是时间差，单位为ms。如REF_Ref905\h图1.9所示，发出脉冲，时间为t0，当遇到障碍就会被接收传感器捕捉，时间为t1，若此时的声速为V，则超声波测距装置与障碍之间的距离为S。图1.SEQ图3.\*ARABIC9超声波测距原理图本设计HC-SR04主要的参数是：1、模块的电源：DC5V。2、模块的静态电流：小于2mA。3、模块高电平输出：5V。4、模块低电平输出：0V。5、模块的感应灵敏度：不大于15°。6、模块的探测距离：2cm—400cm。1.4系统显示模块LCD1602本设计的显示使用LCD1602液晶显示器。相对于液晶显示屏来说，彩屏编程比较复杂，而且成本比较高，优点是其功能较强大，而且也很直观的显示出来。例如手机、计算机、家庭影院等。1602液晶显示器在电子行业中非常受欢迎，因为其价格在市场上很便宜，能耗相对较低，可以显示数字和字母。其使用光学聚合物的特殊化学特性工作，这些特性已得到充分利用。该显示屏可以直接进行编程显示，可将两行字符显示，限制字符长度最长为16个，该长度已经达到实际显示要求，可以直观的将水位情况显示，让用户一目了然。其工作的电压为5V，其电路如REF_Ref24480\h图1.10所示。寄存器的选择、读写、使能分别连P2.5、P2.6、P2.7口。低电平时为指令寄存器，高电平时为数据寄存器。在高电平时读，低电平时写。图1.SEQ图3.\*ARABIC10液晶显示屏电路图其引脚的主要功能如下：（1）VSS：共地点。（2）VDD：接5V正电源。（3）VL：调节屏幕的对比度，此处还有一个电位器。（4）RS：寄存器的选择。（5）R/W：读与写信号，本设计设定为写入。（6）E：使能端，低电平时，其执行命令。（7）D0~D7：数据传输端口。（8）BLA：表示屏幕背光电源上的正极。（9）BLK：表示屏幕背光电源上的负极。1.5按键模块按键分为两种，一种是独立的，另一种是矩阵键盘的。一般对于使用比较多的情况下选择后者，这样可以节省使用的端口，如果使用的比较少的话直接选择前者。本次设计采用的是独立的，其原理图如REF_Ref24734\h图1.11所示。分别与P1.1、P1.2、P1.3连接。三个键分别为设定转换键、加键、减键，设定转换键就是根据需求，考虑是设定水位的上限还是设定其下限。图1.SEQ图3.\*ARABIC11按键电路1.6蜂鸣器电路蜂鸣器很常用，具有很多的功能，是个报警元件。其用途十分广泛、无处不在，比如洗衣机、冰箱、空调等都有。蜂鸣器可以分为有源蜂鸣器、无源蜂鸣器等。本次设计采用的是有源蜂鸣器，其实现的主要的功能就是，通过单片机进行驱动内部的电流使得其发出报警声。还需要加入三极管，是为了进行电路电流的放大，因为单片机端口的驱动能力很弱。如REF_Ref25009\h图1.12所示，蜂鸣器模块与单片机的P2.3端口相连接。通过单片机进行驱动内部的电流，当水位不在设定范围内时，使得其发出报警声。图1.SEQ图3.\*ARABIC12蜂鸣器电路1.7继电器继电器是电触发控制的器件，就像开关一样，其实际是用